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基于UWB与惯性导航的室内定位技术,激光场景导

日期:2019-08-01编辑作者:澳门新葡8455手机版

原标题:杭电极客|基于UWB与惯性导航的室内定位技术

激光场景导航AGV与惯性二维码导AGV哪个好?哪种导航方式适合工业AGV物流?随着亚马逊KIVA惯性二维码导航AGV不断刷屏,国内众多AGV厂商竞相跟进,作为用户在选择激光场景导航AGV与惯性二维码导AGV需要更多冷静思考,您需要的是稳定实用物流工具还是自娱自乐的“黑科技”?下面我们就从技术角度来给您全面解析激光场景导航AGV与惯性二维码导AGV哪个更靠谱?

基于UWB与惯性导航的室内定位技术

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首先简单介绍一下常见的磁导航AGV,其优点就是就是价格相对便宜投资回报快,适合相对固定路径和工艺流程,物理定位稳定性高,缺点对于随机复杂的工艺站点其灵活性相对逊色,对于复杂线路地面交错的磁条线路不是很美观。

项目摘要

随着技术进步工厂柔性化生产趋势,用户对一部分复杂应用场景考虑使用调度更灵活,本地运算能力更强大,系统扩展性和网络化更高的无轨导航AGV小车,其代表技术就是激光场景导航AGV与惯性二维码导AGV。

在卫星信号无法覆盖的室内条件下,室内的精确定位问题是当前研究的热点。众所周知,室内定位如今主要采用无线通讯、惯导定位等多种技术集成形成室内位置定位系统,常见的室内无线定位技术主要有WiFi、蓝牙、ZigBee等。本次我们采用UWB-Ultra Wideband(超宽带技术)来实现室内定位功能。

惯性二维码导航AGV的技术之所以是老生常谈,是亚马逊高价收购KIVA二维码惯性导航机器人,其类似棋盘物流工作模式应用视频才再次被复活,其实早10年前国内某AGV厂商就已经成功研发惯性导航AGV,后来经过大量用户实地应用验证发现稳定性无法用于工厂生产物流使用,惯性导航AGV至此淡出主流舞台。随着KIVA刷屏视频发布惯性二维码导航才被大家熟知,类KIVA惯性AGV在结构及调度方式作了改动,把磁钉换成二维码(高大上的名称叫机器视觉),其关乎定位导航稳定性核心依然是通过陀螺仪的惯性导航方式。

在室内定位过程中,UWB 具有厘米级的定位精度,良好的抗多路径性能,较低的发射功率及一定的穿透能力,与其他定位技术相比优势显著。但UWB在非视距环境下易受到干扰,我们的项目通过UWB与惯导系统进行融合算法,以 UWB 修正惯导系统的航向与位置,同时在 UWB 受干扰定位出现偏差时,利用惯导保证定位的准确性实现低成本高精度的室内导航。最后通过matlab进行数据的仿真,将定位点实时展示在地图之中。

惯例先讲讲惯性导航原理:惯导AGV其定位技术和运动控制技术门槛不高。惯性导航系统由单片机,陀螺仪,加速度传感器组成,性能由传感器噪声、校准信标决定,其陀螺芯片本身特性累积误差(随时间增长误差会累积增大,30~60秒误差1°)的绝对硬伤,对于室内高精度毫米级定位误差本身就不适用。不要小看小小1°误差被距离放大后与既定目的地就差之千里了,故此需要每走1米左右读取二维码进行位置校准归零并作为位置信息上传(AGV行走在二维码与二维码之间的位置信息是通过时间和速度简单模拟出来,而非实际真实坐标)。

一、项目介绍

那么有人要问军用级战车无人机等也是通过惯性导航,定位精度高吗?首先这些应用的定位精度要求在20~30cm已经足够,位置校准采用的惯导 GPS差分(或更高级的陀螺仪及技术)进行实时校准,是室内惯性二维码导航所无法比的。即使用军用级的惯导传感器,即使初始化精度很高,当信号漂移偏差的惯性测量数据,积分求解时仍会有较大误差累积。

UWB(超宽带无线技术)是当前国内外定位领域 研究热点之一。在室内定位过程中,UWB 具有厘米级的定位精度,良好的抗多路径性能,较低的发射功率及一定的穿透能力,与 WiFi、ZigBee、RFID等室内定位技术相比优势显著。但是UWB的定位信号容易受到墙体、桌子、货架、金属柜等障碍物的减损,导致定位出现偏差。我们的项目通过UWB与惯导通过卡尔曼滤波进行算法的融合,以 UWB 修正惯导系统的航向与位置,同时在 UWB 受干扰定位出现偏差时,利用惯导保证定位的准确性实现低成本高精度的室内导航,以适用于无人机,行人等移动物体的高精度定位应用。

所以对于工厂室内每天上万次重复运行,即使惯性导航传感器输出准确的短期位置、速度、加速度、姿态、角速率,但长时间后会有误差累计,用户没完没了人工重置是逃不掉的,最终AGV物流项目沦为“参观项目,眼球项目”。其次相对单一类托举工装货架重心较高,对地面平整度,运动控制的实时性,速度及货物配重平衡性等有一定的要求,任何一个失误都会导致整个物流系统停摆。对于开放的车间环境二维码图形稍有损坏则需要频繁更换二维码,对陀螺仪的精度及使用寿命都有严格要求。

二、市场应用

综述:以亚马逊KIVA为代表惯性二维码导航AGV小车,其网络化系统调度模式确实新颖酷炫吊炸天,但惯导AGV小车作为执行器本身致命缺陷导致稳定性差强人意,如同指挥官很聪明,而执行的士兵有点残。

我们的项目将UWB与惯导进行融合,可以实现移动物体在室内实时的高精度定位,定姿,可以用于一下几种应用:

最后我们分析激光场景导航为什么会是未来自主移动机器人主流及技术原理。目前激光导航有两种方式,一种是激光反射板导航,另一种是激光场景导航。

1. 用于无人机的室内定位导航与自动作业。无人机在室内环境下的室内自动作业或者在非人可视的情况下飞行,需要采集无人机精确的定位与飞行姿态,我们的定位系统可以很好的满足这个要求。

以免大家混淆先简单介绍激光反光板导航:在AGV行驶路径的周围安装激光反射板,AGV通过发射激光束到反射板反射,进行三边运算得出当前的位置坐标的导航方式,因为开放的车间动态人流或设备可能阻挡激光束,一般激光器安装高度较高,其技术多用于激光叉车,位置导航算法难度相对简单,由于激光叉车体积庞大需要宽大通道环境,同时安全检测盲区多以及稳定性等原因较少用户使用。

2. 用于行人在室内环境下的定位。在大型的商场或者展览管中,由于GPS定位信号收到干扰影响,人们难以知晓自己的实际位置,并且地图提供的位置信息又太过具体复杂。而我们的定位系统可以实时检测位置信息,并分析行人走路时的方位、速度等信息。

下面我们着重分析激光场景导航AGV,激光场景导航AGV采用目前全球最先进SLAM机器人定位技术(实时定位与地图生成)实现AGV的路径地图,不需要任何施工灵活性最高的AGV运动形式,轻松实现柔性全局部署。简单来讲当AGV机器人在一个陌生环境走一圈即自动扫描并生成该场景电子地图,该电子地图是AGV的激光器每秒几万个坐标点拼接生成,然后在已知地图任意创建工作站点即属性,AGV在行驶运动过程中实时与已知的基准地图坐标进行匹配,从而实现AGV高精度地位,米克力美科技通过多种融合算优化其重复运行达到精度5毫米,环境动态移动的人和物对其没有任何影响。

3. 用于室内智能家居机器人的合理作业。近年来家具机器人正不断发展普及,如扫地机器人等。但像该类机器人在室内作业时,通常都是较为随机的对室内进行打扫,导致打扫效率不到,若结合我们的室内定位系统,便可以通过位置信息合理规划作业路线,提高智能机器人的工作效率。

因为其技术难度极高,目前全球只有极少数几家公司机构掌握SLAM技术,掌握该技术并产品化的公司有:IROBOT , ADEPT , PAL , AETHON,米克力美为掌握该核心技术并产品化第一家中国公司,其产品专注于生产线物流,比欧美产品载重量更大(欧美产品负载100KG以内,目前米克力美有

三、技术方案

3.1硬件技术

3.1.1模块简介

UWB模块采用的是研创物联开发的UWBMini3s,该模块由4个基站(A0、A1、A2、A3)和一个标签(TAG)组成。UWBMini 3s 采用了STM32F103T8U6 单片机为主控芯片。外围电路包括:DW1000芯片、电源模块、LED 指示模块、复位电路等。该模块既可以作为基站,也可以作为标签,通过USB 指令进行切换。

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UWB的测距原理为双向飞行时间法(TW-TOF,two way-time of flight)。在UWB每个模块从启动开始即会生成一条独立的时间戳。模块A 的发射机在其时间戳上的Ta1发射请求性质的脉冲信号,模块B在Tb2时刻发射一个响应性质的信号,被模块A在自己的时间戳Ta2时刻接收。有次可以计算出脉冲信号在两个模块之间的飞行时间,从而确定飞行距离S。

3.1.2UWB的初始化配置

­­­在UWB使用之前,要对其进行初始化,配置各个模块的模式、地址、传输速率与传输模式

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在使用之前,我们将UWBMini3s通过UWB线连接到电脑,通过XCOM发送AT指令进行配置。

3.1.3UWB的产品化开发

我们使用的现场环境都是不同的,受经纬度、空气质量、环境障碍物等各种因素的干扰,所以在产品化的过程中,必须要对模块进行校准,以提高UWB的精准度。校准需要通过1 个Anchor 和1 个Tag 的测距,得到修正系数。并利用Microsoft 2016 Excel 软件,进行数据拟合,并生成拟合公式

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测距值存在instancegetidist_mm(0), instancegetidist_mm(1), instancegetidist_mm(2), instancegetidist_mm(3),这四个变量里,每个距离,都需要代入刚才计算出来的校准公式内。并在代码的相应位置添加上拟合公式。

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然后将程序下载到和电脑连接的UWB 模块里即可。最后基站A0或者标签TAG通过USB与电脑连接,便可接受到标签与各个基站之间的距离。

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